近年来，随着公众对健康问题的日益重视，环境监测、食品安全和公共卫生等领域备受关注。痕量分子传感是其中至关重要的技术环节，决定了整体方案的有效性和实用性。然而，开发具备足够高灵敏度的传感技术来检测痕量分子仍然是一个挑战。

基于表面增强红外吸收（surface-enhanced infrared absorption，以下简称SEIRA）的光学传感由于无标记性、分子特异性和非侵入性的特点，是当前颇具潜力的检测技术。其原理是通过表面等离激元（surface plasmon polarization）与分子振动模式的耦合，实现强的光与物质相互作用，从而增强红外区域分子特征信号的检测灵敏度。当前，SEIRA传感器从最初的传统金属薄膜（金、铜等），转向采用具有更强增强性能的新型等离激元材料（石墨烯、硅、锗、氧化物和碳纳米管等）。其中，基于石墨烯等离激元的SEIRA传感器因其高灵敏度和主动可调性（通过栅极电压改变掺杂水平，拓宽检测频率范围）的优势备受瞩目。

然而，分子的固有阻尼会降低等离激元和分子振动之间的相互作用，使得检测的特征信号被削弱，具体表现为光谱中的特征峰/谷的相对高度减小和展宽变大。这个问题对痕量分子传感尤为致命，灵敏度将大幅降低，甚至导致特征信号被噪声淹没。

补偿分子阻尼的一种可能的方案是添加光学增益材料。但一般来说，这需要复杂的设置，并且还可能与检测系统不兼容。同时，增益材料通常会增加不稳定性和噪声。另一种可能是使用复频波（complex-frequency waves，简称CFW）。已有的理论研究表明，具有时间衰减的复频波可以修复由于材料阻尼引起的信息损失。但遗憾的是，在真实的光学系统中产生复频波仍然是一个难题，缺乏成熟可行的方案。

近日，来自香港大学张霜教授团队、国家纳米app中心戴庆研究员团队和德国斯图加特大学刘娜教授合作，提出了一种提高分子传感灵敏度的新方法。该成果发表在eLight，题为“Synthesized complex-frequency excitation for ultrasensitive molecular sensing”。

这种方法通过多个实频率波合成复频波补偿分子阻尼，以增强分子特征信号。合成复频波的原理基于傅立叶变换，一个复频波可以视为所有实频波乘以权重因子的组合叠加，这个权重因子恰好是以复频波频率为中心的洛伦兹分布。因此，实频波谱上的每个频率点都可以通过这种方法替换为对应的复频波，得到新的合成复频波谱。

研究团队通过实验证明，合成复频波使基于石墨烯的SEIRA传感器检测到的丝蛋白分子信号放大至少一个数量级，特别是将仅约1.2纳米厚的丝蛋白单分子层的信号提升了15倍。同时，合成复频波也适用于不同环境条件下的分子传感。研究团队成功地应用合成复频波来改善不同实验中的分子信号，包括直接测量脱氧雪腐镰刀菌烯醇 （DON） 分子的多种振动模式，以及基于石墨烯的SEIRA传感器探测固相和水溶液中的蛋白质。

图1：三种不同条件下的分子传感实验。（a-b）直接探测DON分子的多种振动模式；（c-d）基于石墨烯的SEIRA传感器探测丝蛋白分子层；（e-f）基于石墨烯的SEIRA传感器探测水溶液中的BSA蛋白质。

该方法的优势在于可以极低成本地提高灵敏度。无需重复实验，只将已测得的实频率光谱进行合成的数值计算，便可得到几乎等价于真实复频波产生的光谱，避免了真实复频波的实验困难。更为重要的一点是，该方法具有高度的泛用性而不局限于某种技术，可以与各种其他谱学检测技术无缝集成。

总结与展望

合成复频波的新方法对于各种SEIRA 传感乃至其他谱学检测技术具有高度的可扩展性，可以显著提高极微量分子的检测灵敏度，甚至有潜力探索各类因特征信号过弱而被忽视的物理现象。这种方法有可能改变整个分子传感领域，开发具有广泛应用的超灵敏传感器，促进早期疾病诊断，个性化医疗和有毒物质的快速检测等领域的发展。（来源：明升中国光学微信公众号）

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